1、DOEDOE實驗設計培訓實驗設計培訓12 345678P:2Pg 2確認偏差來源確認偏差來源:探測性分析探測性分析取得突破的藍圖取得突破的藍圖優化輸出變量優化輸出變量控制控制 X和和 監控監控 Y確立長期確立長期質量管理質量管理控制控制明確項目定義明確項目定義確認輸入及確認輸入及輸出指標輸出指標分析測量系統分析測量系統確定工藝能力確定工藝能力測量測量確認偏差來源確認偏差來源:統計性分析統計性分析確認偏差來源確認偏差來源:方差分析方差分析規劃試驗設計規劃試驗設計分析分析篩選關鍵篩選關鍵輸入變量輸入變量 (DOE) 找尋交互作用找尋交互作用( DOE)確定確定 Y=f (X)改進改進6 Sigma

2、 概論概論項目管理項目管理計算機應用計算機應用基礎統計學基礎統計學確定確定什麼是試驗設計？什麼是試驗設計？試驗設計是研究作用因素Xs與關鍵質量特性CTQs之間關係的方法論.X Xs sY Y在工農業生產和科學試驗中, 試驗是必不可少的. 試驗安排得好, 往往會達到事半功倍的效果. 如何科學地組織試驗, 包括許多環節：選題、確定因數及其水平、設計試驗組合, 等等. 這些環節, 有的是屬於管理科學, 有的是需要數學和統計學的方法來設計試驗方案, 後者稱為統計試驗設計.DOE Training -4-DOEDOE的意義的意義1 1為什么需要試驗設計為什么需要試驗設計1、優化設計的必要性、優化設計的必

3、要性l提高產量；l減少變異性，與額定值或 目標值更為一致；l減少開發時間；l減少總成本；DOE Training -5-DOEDOE的意義的意義2 2基本研究基本研究1、發現相關問題2、明了技術要點產品設計產品設計1、靈敏度分析2、建立可靠性的公差3、特征組件4、特征結構5、包括低成本組件6、包括低等級物料7、最小的變化8、性能的改善工藝研發工藝研發1 、變量研究2、變量的優化設置3、建立可靠公差4、發現降低成本的解決辦法 2 2、實驗設計的作用、實驗設計的作用工藝研發工藝研發5、優化變化6、改善過程中心7、減少生產周期8、降低壞品率9、改善產品的可靠性工藝改善工藝改善1、解決問題2、明了變量

4、及過程之關系3、進行過程能力研究4、設備及方法比較計量計量1、進行測量系統研究2、判定誤差的主要來源3、最小測量誤差DOE術語響應變量響應變量Response:Response:試驗輸出的結果試驗輸出的結果因子因子Factor:Factor:試驗過程中的不同輸入變量如溫度、時間、粘度等試驗過程中的不同輸入變量如溫度、時間、粘度等水平水平Level:Level:試驗中對因子的不同設定值如溫度：試驗中對因子的不同設定值如溫度：1010度、度、2020度、度、3030度度干擾干擾Noise:Noise:人不可控制的事物人不可控制的事物主要影響主要影響Main Effect:Main Effect:對

5、單個因子而言對單個因子而言, , 從一個水平到另一個水平的變從一個水平到另一個水平的變化對輸出的平均影響化對輸出的平均影響交互作用交互作用InteractionInteraction：兩個因子合起來對總輸出的影響將高于兩個單獨：兩個因子合起來對總輸出的影響將高于兩個單獨的因子造成的影響的因子造成的影響DOE Training -7-Pg 7重復試驗(replication) 一個處理施加于多個試驗單元。我們一定要進行不同單元的重復(replicate)，而不能僅進行同單元的重復(repetition):要重做試驗，而不能僅重復觀測或重復取樣。隨機化(randomization)：用完全隨機的方

6、式安排各次試驗的順序和或所用的試驗單元。防止那些試驗者未知的但可能會對響應變量產生的某種系統的影響。劃分區間(blocking)：按照某種方式把各個試驗單元區分成組，每組內保證差異較小，使他們具有同質齊性(homogeneous)，則我們可以在很大程度上消除由于較大試驗誤差所帶來的分析上的不利影響。如果分區組有效，則這種方法在分析時，可以將區組內與區組間的差異分離出來，這樣就能大大減少可能存在的未知變量的系統影響。試驗設計的基本原則策略一：篩選主要因子（使X型問題簡化成A型問題）策略二：找出最佳之生產條件（使A型問題簡化成T型問題）策略三：證實最佳生產條件有再現性全因子試驗計劃法全因子試驗計劃

7、法沒有交互作用(平行的狀態)YXXX有一點交互作用有很大的交互作用什么是交互作用什么是交互作用 表示2個因子的水平組合上,發生不期待的效果。3次以上的交互作用，技術分析不太容易，因此一般不考慮。交互作用圖交互作用圖A&B間沒有交互作用定義：當有交互作用存在時, 一個因素對回應的影響與其他各標準因素對回應的影響是不同的. A&B互相作用B的影響隨著A的標準而變化. 這里, B對低標準A有負面影響, 對高標準A有正面影響. A&B互相作用這里, B的影響以與上述相同的方式隨著A的標準而變化. 低A低A高A高A低B高B低A低A高A高A低B高B低A高A低B高B試驗設計的步驟試驗

8、設計的步驟1.工程選定2.測定Y設定（盡量為連續型）3.測定系統分析(MSA)4.因子X設定5.因子水平設定（適當的）6.試驗種類選定7.試驗計劃設定8.試驗實施9.結果分析10.最終判定 END1.水平之間太小時會失敗，太大時也不可2.設定水平盡量間距相等3.確認設定的水平能否作業水平設定水平設定1.在評估因素的影響時它提供的信息不夠詳細2.常常得出無法再現的結論3.需要的數據量很大Y Y為離散型為離散型 DOE Training -12-陳述實際問題和實驗目的陳述實際問題和實驗目的通過通過DOE 想想達達到到什么目的什么目的? Y是什么？計量型？計數型？是什么？計量型？計數型？如產出率如產

9、出率, 作業時間作業時間, 清潔度等清潔度等 如溫度如溫度(100,150),重量重量(20,30,40kg) 全因子全因子實驗實驗, 田口田口設計設計, 響應響應曲面曲面設計設計等等 收集收集實驗結實驗結果的果的數數據據 運運用用軟軟件件進進行行實驗數實驗數據分析據分析制定改善方案制定改善方案 DOEDOE的處方的處方必要時重復實驗必要時重復實驗DOE Training -13-陳述問題和實驗目的陳述問題和實驗目的選擇選擇“Y”響應變量響應變量陳述因子和水平陳述因子和水平選擇選擇DOE實施實驗及收集數據實施實驗及收集數據分析實驗結果分析實驗結果結論和計劃結論和計劃2 首先要明白實驗的目的到底

10、要什么？首先要明白實驗的目的到底要什么？ 把握把握Vital Few Xs(Vital Few Xs(少數關鍵少數關鍵X X）的影響程度）的影響程度 把握選定的重要把握選定的重要X X之間的交互作用之間的交互作用 建立建立X X和和Y Y的預測模型的預測模型 決定決定Y Y最佳化的最佳化的X X的條件的條件: :DOEDOE處方處方-1.-1.陳述實際問題和實驗目的陳述實際問題和實驗目的DOE Training -14-2選擇響應變量選擇響應變量“Y Y”( (特性值特性值) ) 響應變量的定義響應變量的定義 - 改善的目的是什么? 目標值(平均)/散布水準(標準偏差) - 響應變量隨著時間變

11、嗎? 響應變量是否具備正態分布? - 希望能發現出多大的響應變量的變化程度? - MSAMSA（測量分析系統）是否可靠（測量分析系統）是否可靠? ? - 希望得到多個輸出響應變量嗎? 計數型與計量型數據的比較計數型與計量型數據的比較? ? 計數型屬性數據（合格/不合格率）的有效性不及計量型數據（連續測量數據）， 這表明需要大量的數據才能得出數據有效的統計結論。所 以盡量選擇計量型數據作為Y,以避免收集大量數據 陳述問題和實驗目的陳述問題和實驗目的選擇選擇“Y”響應變量響應變量陳述因子和水平陳述因子和水平選擇選擇DOE實施實驗及收集數據實施實驗及收集數據分析實驗結果分析實驗結果結論和計劃結論和計

12、劃DOEDOE處方處方-2.-2.選擇選擇“Y Y”響應變量響應變量DOE Training -15-陳述問題和實驗目的陳述問題和實驗目的選擇選擇“Y”響應變量響應變量陳述因子和水平陳述因子和水平選擇選擇DOE實施實驗及收集數據實施實驗及收集數據分析實驗結果分析實驗結果結論和計劃結論和計劃DOEDOE處方處方-3.-3.陳述因子和水平陳述因子和水平2 決定因子決定因子選擇選擇“X X”因子，盡量為計量型，可以從以下來因子，盡量為計量型，可以從以下來 ： - 因果圖 - 頭腦風暴法 - 流程圖 - 專家意見 - 供應商輸入 - 競爭性分析 - 分析階段結果 寧缺毋濫！寧缺毋濫！ 處理噪音變量（不

13、可控因子）的方法處理噪音變量（不可控因子）的方法 - 利用隨機化 - 試圖把噪音變量維持為常數的方法 - 利用Block化 - 反復實驗 DOE Training -16-陳述問題和實驗目的陳述問題和實驗目的選擇選擇”Y”響應變量響應變量陳述因子和水平陳述因子和水平選擇選擇DOE實施實驗及收集數據實施實驗及收集數據分析實驗結果分析實驗結果結論和計劃結論和計劃2 決定因子的水平決定因子的水平 按因子數及影響的特性選擇水平數按因子數及影響的特性選擇水平數 - - 因子多時,用2水平 - 只有線形影響時,用2水平 - 估計有曲線影響時,用3水平 水平的范圍設定水平的范圍設定: : -選擇選擇“X X

14、” ” 變量，要有足夠的范圍以體現差異變量，要有足夠的范圍以體現差異。 - 不可脫離實現可能性的范圍(但可以超出當前 Process的范圍)。 - 對計量性數據的輸入變量的水平設定,大體上 要考慮當前條件的界限。DOEDOE處方處方-3.-3.陳述因子和水平陳述因子和水平DOE Training -17-陳述問題和實驗目的陳述問題和實驗目的選擇選擇“Y” 響應變量響應變量陳述因子和水平陳述因子和水平選擇選擇DOE實施實驗及收集數據實施實驗及收集數據分析實驗結果分析實驗結果結論和計劃結論和計劃考慮實驗的目的和預算等選擇考慮實驗的目的和預算等選擇DOEDOEDOEDOE處方處方-4.-4.選擇選擇

15、DOEDOE當設計一個實驗時，要考慮如下關當設計一個實驗時，要考慮如下關鍵因素鍵因素a)實驗限制條件b)實驗設計方法c)噪聲變量d)隨機化和分組e)重復和反復f)樣本容量DOE Training -18-實驗設計的關鍵因素實驗設計的關鍵因素(1)(1)DOEDOE處方處方-4.-4.選擇選擇DOEDOE4a)確定實驗限制條件確定實驗限制條件確定實驗可采用方案數與實驗次數的限制條件。實驗限制條件可以是時間，金錢，人力資源，物質限制等。決定你將做多少次實驗。結合你的實驗目的，選擇最佳實驗設計及你可以采用的最多的實驗次數。注意：注意：1.不要在第一次實驗中用完你所有的資源2.成功的DOE是一個反復的

16、過程，不是一次實驗就能完成的！DOE Training -19-實驗設計的關鍵因素實驗設計的關鍵因素(2)(2)DOEDOE處方處方-4.-4.選擇選擇DOEDOE4b)4b)設計實驗設計實驗-確定實驗設計方法確定實驗設計方法篩選實驗篩選實驗6 6以上以上部分因子實驗部分因子實驗410410全因子實驗實驗1515田口設計設計221 13 3DOE 種類種類因子數量因子數量選別重要因子選別重要因子選別重要因子選別重要因子因子與因子與Y Y的關系的關系尋找因子的尋找因子的最佳條件組合最佳條件組合目的目的區區分主效果分主效果主效果和主效果和部分交互作用部分交互作用所有主效果和所有主效果和交互作用交互

17、作用( (線性效果）線性效果）設計設計或工序或工序參數優參數優化化作用作用低低現在現在工序知識工序知識狀態狀態高高響應曲面實驗響應曲面實驗2323設定因子的設定因子的最佳條件最佳條件反應變量的反應變量的預測模型預測模型( (曲線效果）曲線效果）效果效果DOE Training -20-試驗設計的類別試驗設計的類別 試驗類別的選擇依據試驗類別的選擇依據在選擇試驗時，須至少考慮以下因素：1.研究目標：即通過試驗希望達到什麼目的，解決什麼問題2.因素和水平數：我們的調查、分析范圍3.每次的試驗成本 試驗類別試驗類別根據不同的因素類，我們可以按以下分類：試驗類型目標1.全因子試驗（所有因素和水平的組合

18、） 1.尋找最有利於輸出的因素水平2.建立可評估所有交互影響的數學模型2.分部因子試驗（所有組合的一個子集） 1.尋找最有利於輸出的因素水平2.建立可評估部分交互影響的數學模型DOE Training -21-試驗設計的類別試驗設計的類別 試驗類別試驗類別試驗類型目標3.篩選試驗從大量因素中發現少數關鍵因素（不評估因素的交互作用）4.響應曲面實驗1.優化2.建立非線性影響存大時的數學模型（常用響應表面方法）5.田口設計1.優化2.優化產品或制造過程的函數3.使輸出地噪聲因素敏感性最小，對輸入因素敏感性最大DOE Training -22-噪聲變量噪聲變量 噪聲變量會影響實驗結果，但是我們不能控

19、制它或選擇對其不進行控制。此類變量為已知或未知。范例：范例：-季節因素，溫度、濕度-設備-操作人員-原材料實驗設計的關鍵因素實驗設計的關鍵因素(3)(3)DOEDOE處方處方-4.-4.選擇選擇DOEDOE通?？梢酝ㄟ^分組和隨機化來通?？梢酝ㄟ^分組和隨機化來降低噪聲變量的影響！降低噪聲變量的影響！DOE Training -23-實驗設計的關鍵因素實驗設計的關鍵因素(4)(4)4d)分組（分組（Blocking) 將數據分成類似的幾組，以將噪聲或潛伏變量的影響降到最小。實例：在四把槍（A、B、C和D)及四個戰士測試槍好不好。A A A AB B B BC C C CD D D DA B C D

20、B C D AC D A BD A B C戰士1戰士2戰士3戰士4造成改變的原因是槍還是戰士？4d)隨機化（隨機化（Randomizing)通過分組方法對槍和戰士進行獨立測試減少包括噪聲和潛伏變量在內的其他變量的影響。隨機化： -運行順序 -測量順序DOEDOE處方處方-4.-4.選擇選擇DOEDOEDOE Training -24-簡單的比較型實驗簡單的比較型實驗 兩個均值的檢定兩個均值的檢定 1-和和2-樣本樣本t-檢定檢定 配對配對t-檢定檢定 1-和和2-變異檢定變異檢定 1-和和2-比例檢定比例檢定單因子實驗單因子實驗: ANOVA檢定檢定統計的實驗設計統計的實驗設計 DOE 選擇實

21、驗設計方案選擇實驗設計方案DOE Training -25-全因子試驗計劃法全因子試驗計劃法 因子水平A1A2A3A48.448.368.288.598.918.609.349.419.698.928.928.74試驗的反復隻選擇1個預計對一些特性值有影響的因子，實施試驗的最單純的試驗計劃法。 認為紡紗生產工序上反應溫度影響紡紗產品的強度，因此為了了解按反應溫度的變化，強度怎樣變化，並且在怎樣水平下給最高的強度而做試驗，反應溫度為因子來取水平(A1:60, A2:65, A3:70, A4:75),在各溫度下3回，把全體12回試驗按隨機順序來實施。其結果得到了下列數據，求最佳條件。 按反應溫度

22、(A)變化的強度(單位 : kg/m)的試驗數據據單因子試驗計劃法DOE Training -26-全因子試驗計劃法全因子試驗計劃法 One-way ANOVA: A1, A2, A3, A4Analysis of VarianceSource DF SS MS F PFactor 3 1.9788 0.6596 31.19 0.000Error 8 0.1692 0.0211Total 11 2.1480 Individual 95% CIs For Mean Based on Pooled StDevLevel N Mean StDev -+-+-+-A1 3 8.3600 0.0800

23、(-*-) A2 3 8.7000 0.1819 (-*-) A3 3 9.4800 0.1852 (-*-) A4 3 8.8600 0.1039 (-*-) -+-+-+-Pooled StDev = 0.1454 8.50 9.00 9.50單因子試驗計劃法STAT-ANOVA-ONE WAY (unstacked)DOE Training -27-2實施實驗及收集數據實施實驗及收集數據 確保進行實驗前應設計好數據記錄表。 以保證在設計好的表格內記錄所有數據。 在實驗進行過程中應一直在場一直在場，因為你無法預料會發生什么 樣的情況！準備數據收集計劃. 保留實驗樣本將會對你有所幫助，如果某一測量值出現問題， 你可以重新測量該樣本。 訓練數據收集者. 有必要可以示范運營. 實施實驗并收集數據.陳述問題和實驗目的陳述問題和實驗目的選擇選擇“Y”響應變量響應變量陳述因子和水平陳述因子和水平選擇選擇DOE實施實驗及收集數據實施實驗及收集數據分析實驗結果分析實